“ANO DEL CENTENARIO DE MACHU PICCHU PARA EL MUNDO”

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIRIA QUIMICA

Informe de Laboratorio

N°2

TEMA : Tensión superficial

ALUMNOS:

Figueroa Mejía Denisse Pamela

Isidro Calderón Talia Isabel

PROFESOR : Albertina Díaz Gutiérrez

CICLO : 2011-B

BELLAVISTA – CALLAO

2011

Tensión superficial

Introducción:Las fuerzas intermoleculares determinan varias de las características de las características estructurales y propiedades de los líquidos. El centro del siguiente informe un común fenómeno relacionado con los líquidos al que se conoce como: tensión superficial. Esta es la fuerza más importante en los líquidos sometidos a gravedad cero. Las moléculas que se encuentran en el seno de un líquido son jaladas en todas direcciones por las fuerzas intermoleculares; no hay tendencia hacia una dirección única. Sin embargo las moléculas de la superficie son jaladas hacia abajo y hacia los lados por otras moléculas, pero no hacia arriba de la superficie. En consecuencia las moléculas del agua son jaladas hacia el líquido por las fuerzas intermoleculares, lo que ocasiona que la superficie se tense como si fuera una película elástica. La tensión superficial es la que permite que a algunos insectos caminar o deslizarse sobre el agua, que un vaso de agua se pueda llenar con un pequeño exceso sin derramarse. Las agujas, los clips, una hoja de rasurar colocadas con cuidado pueden hacerse flotar sobre el agua, aunque el metal es mucho más denso. La tensión superficial es la fuerza en la superficie de un líquido, que hace que las gotas pequeñas de los líquidos adquieran la forma esférica, donde el área de dicha superficie tiende a ser la mínima posible. Para determinado volumen una esfera tiene la superficie mínima, y la tensión superficial es la que hace que las gotas pequeñas de los líquidos.

Objetivos:Realizar la determinación experimental por el método de ascenso de una columna líquida por un tubo capilar.Analizar la dependencia de la tensión superficial con respecto a la temperatura.Observar experimentalmente la dependencia de la tensión superficial con una determinada concentración.Determinar el valor de la tensión superficial de una sustancia por el método del tubo capilarDeterminar el valor de la tensión superficial de una sustancia por el método del anillo.

Marco Teórico:Tensión superficial:

Las fuerzas de atracción y de repulsión intermolecular afectan a propiedades de la materia como el punto de ebullición, de fusión, el calor de vaporización y la tensión superficial.        

Dentro de un líquido, alrededor de una molécula actúan atracciones simétricas pero en la superficie, una molécula se encuentra sólo parcialmente rodeada por moléculas y en consecuencia es atraída hacia adentro del líquido por las moléculas que la rodean. Esta fuerza de atracción tiende a arrastrar a las moléculas de la superficie hacia el interior del líquido (tensión superficial), y al hacerlo el líquido se comporta como si estuviera rodeado por una membrana invisible.         La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica de las gotas de un líquido, del ascenso de los líquidos en los tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en la superficie de los líquidos.        

Termodinámicamente la tensión superficial es un fenómeno de superficie y es la tendencia de un líquido a disminuir su superficie hasta que su energía de superficie potencial es mínima, condición necesaria para que el equilibrio sea estable. Como la esfera presenta un área mínima para un volumen dado, entonces por la acción de la tensión superficial, la tendencia de una porción de un líquido lleva a formar una esfera o a que se produzca una superficie curva o menisco cuando está en contacto un líquido con un recipiente.         A la fuerza que actúa por centímetro de longitud de una película que se extiende se le llama tensión superficial del líquido, la cual actúa como una fuerza que se opone al aumento de área del líquido. La tensión superficial es numéricamente igual a la proporción de aumento de la energía superficial con el área y se mide en erg/cm2 o en dinas/cm. La energía superficial por centímetro cuadrado se representa con la letra griega gamma ( g ).

Causa:

Diagrama de fuerzas entre dos moléculas de un líquido.

Este clip está debajo del nivel del agua, que ha aumentado ligeramente. La tensión superficial evita que el clip se sumerja y que el vaso rebose.

A nivel microscópico, la tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. Así, en el seno de un líquido cada molécula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la molécula tenga una energía bastante baja. Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta

hacia el interior del líquido. Rigurosamente, si en el exterior del líquido se tiene un gas, existirá una mínima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable debido a la gran diferencia de densidades entre el líquido y el gas.

Otra manera de verlo es que una molécula en contacto con su vecina está en un estado menor de energía que si no estuviera en contacto con dicha vecina. Las moléculas interiores tienen todas las moléculas vecinas que podrían tener, pero las partículas del contorno tienen menos partículas vecinas que las interiores y por eso tienen un estado más alto de energía. Para el líquido, el disminuir su estado energético es minimizar el número de partículas en su superficie. 2

Energéticamente, las moléculas situadas en la superficie tiene una mayor energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema será disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el número de moléculas situadas en la superficie, de ahí la reducción de área hasta el mínimo posible.

Como resultado de minimizar la superficie, esta asumirá la forma más suave que pueda ya que está probado matemáticamente que las superficies minimizan el área por la ecuación de Euler-Lagrange. De esta forma el líquido intentará reducir cualquier curvatura en su superficie para disminuir su estado de energía de la misma forma que una pelota cae al suelo para disminuir su potencial gravitacional.

Propiedades

La tensión superficial puede afectar a objetos de mayor tamaño impidiendo, por ejemplo, el hundimiento de una flor.

La tensión superficial suele representarse mediante la letra . Sus unidades son de N·m-1=J·m-2

(véase análisis dimensional).

Algunas propiedades de :

> 0, ya que para aumentar el estado del líquido en contacto hace falta llevar más moléculas a la superficie, con lo cual disminuye la energía del sistema y eso la cantidad

de trabajo necesario para llevar una molécula a la superficie.

depende de la naturaleza de las dos fases puestas en contacto que, en general, será un líquido y un sólido. Así, la tensión superficial será igual por ejemplo para agua en contacto con su vapor, agua en contacto con un gas inerte o agua en contacto con un sólido, al cual podrá mojar o no (véase capilaridad) debido a las diferencias entre las fuerzas cohesivas (dentro del líquido) y las adhesivas (líquido-superficie).

se puede interpretar como un fuerza por unidad de longitud (se mide en N·m -1). Esto puede ilustrarse considerando un sistema bifásico confinado por un pistón móvil, en particular dos líquidos con distinta tensión superficial, como podría ser el agua y el hexano. En este caso el líquido con mayor tensión superficial (agua) tenderá a disminuir su superficie a costa de aumentar la del hexano, de menor tensión superficial, lo cual se traduce en una fuerza neta que mueve el pistón desde el hexano hacia el agua.

El valor de depende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares en el seno del líquido. De esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas de cohesión del líquido, mayor será su tensión superficial. Podemos ilustrar este ejemplo considerando tres líquidos: hexano, agua y mercurio. En el caso del hexano, las fuerzas intermoleculares son de tipo fuerzas de Van der Waals. El agua, aparte de la de Van der Waals tiene interacciones de puente de hidrógeno, de mayor intensidad, y el mercurio está sometido al enlace metálico, la más intensa de las tres. Así, la de cada líquido crece del hexano al mercurio.

Para un líquido dado, el valor de disminuye con la temperatura, debido al aumento de la agitación térmica, lo que redunda en una menor intensidad efectiva de las fuerzas intermoleculares. El valor de tiende a cero conforme la temperatura se aproxima a la temperatura crítica Tc del compuesto. En este punto, el líquido es indistinguible del vapor, formándose una fase continua donde no existe una superficie definida entre ambos.

Valores para diferentes materiales

Tabla de tensiones superficiales de líquidos a 20 °C:

Material Tensión Superficial / (10-3 N/m)

Acetona 23,70

Benceno 28,85

Tetracloruro de Carbono

26,95

Acetato de etilo 23,9

Alcohol etílico 22,75

Éter etílico 17,01

Hexano 18,43

Metanol 22,61

Tolueno 28,5

Agua 72,75

Metodología:A.Materiales y reactivos usados:

a. Materiales: Tubo capilar Termómetro Regla Vaso de precipitado Tampones Pipeta

b. Reactivos: Etanol Agua Hielo

B.Procedimiento experimental (método y técnica):

1. Lave cuidadosamente el capilar del aparato con solución detergente y con solución

sulfocrómica, enjuague con agua destilada y luego con acetona, colóquelo en una

estufa a 110 C hasta secarlo completamente. El tubo donde se coloca la muestra debe

limpiarse y secarse bien.

2. Coloque agua destilada en el aparato midiendo una cantidad determinada con una

pipeta o probeta. Introducir el capilar de manera que su extremo inferior, llegue hasta

la altura de una marca en el tubo.

3. Poner el aparato en un baño de temperatura constante

4. Cuando el agua dentro del capilar este constante leer la altura “h” .Antes de alcanzar el

equilibrio es conveniente impulsar el liquido tanto de abajo hacia arriba, evitando que

se formen burbujas, la diferencia entre la superficie libre del liquido y la concavidad

del menisco es la altura “h”

5. Secar el capilar y el tubo que ha usado, ponga la muestra que le den en un volumen

igual que el utilizado en las pruebas anteriores

6. Preceder de manera similar con la experiencia del etanol

C.Datos experimentales:

Tabla de los datos del etanol con los H

T (0C) h(mm)80C 10.5 mm120C 9.8 mm160C 9.5 mm200C 9.2 mm240C 9 mm280C 8.8 mm

Tabla de los datos del agua con el h

T (0C) h(mm)

19.50C 17mm

La altura h en metros de una columna líquida está dada por la ecuación:

donde:= tensión superficial interfacial (N/m)

θ = ángulo de contactoρ = densidad del líquido (kg/m³)g = aceleración debida a la gravedad (m/s²)r = radio del tubo (m)

Resultados:a. Para el agua destilada:

Del dato obtenido para el agua destilada a 20 ºC (altura experimental y valor de tensión superficial de tablas), calcular el radio del capilar empleando la ecuación siguiente:

T=20 ºC: σ=72.8dinacm

σ= ρ× g × h×r2

Reemplazando: 72.8

dinacm

=0.998204

grml

×980cms

×1.7 cm× r

2

Finalmente el radio es: r=0.0875 cm=0.875 mm

b. Para el alcohol metílico:

Hacemos el mismo procedimiento que el anterior

A una T=8 ° C

ρ=0.802802grml

, g=980cms

, h=1,05 cm , r=0.0875 cm

Según la ecuación: σ= ρ× g × h ×r2

Reemplazando: σ=

0.802802grml

×980cms

×1.05 cm×0.0875 cm

2

σ=¿36.14dinacm

A una T=12 °C

ρ=0.799874grml

; g=980cms

; h=0.98 cm , r=0.0875 cm

Según la ecuación: σ= ρ× g × h×r2

Reemplazando: σ=

0.799874grml

× 980cms

×0.98 cm ×0.0875 cm

2

σ=¿33.61dinacm

T (ºC) H (mm) D (g-cm3)8 10,512 9,816 9,520 9,224 9,028 8,8

A una T=16 °C

ρ=0.796898grml

; g=980cms

, h=0.95 cm , r=0.0875 cm

Según la ecuación: σ= ρ× g × h ×r2

Reemplazando: σ=

0.796898grml

× 980cms

× 0.95 cm× 0.0875 cm

2

σ=¿32.46dinacm

A una T=20 °C

ρ=0.793942grml

; g=980cms

; h=0.92 cm , r=0.0875 cm

Según la ecuación: σ= ρ× g × h×r2

Reemplazando: σ=

0.793942grml

×980cms

× 0.92 cm×0.0875 cm

2

σ=31.32dinacm

A una T=24 ° C

ρ=0.792grml

; g=980cms

; h=0.9 cm , r=0.0875 cm

Según la ecuación: σ= ρ× g × h ×r2

Reemplazando: σ=

0.792grml

×980cms

× 0.9 cm× 0.0875 cm

2

σ=¿30.56dinacm

A una T=28 °C

ρ=0.786358grml

; g=980cms

; h=0.88 cm , r=0.0875 cm

Según la ecuación: σ= ρ× g × h×r2

Reemplazando: σ=

0.786358grml

× 980cms

× 0.88 cm× 0.0875 cm

2

σ=¿29.67dinacm

Colocando los valores obtenidos en una tabla

T C σdinas

cm

8 36.14

12 33.61

16 32.46

20 31.32

24 30.56

28 29.67

Graficando:

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

5

10

15

20

25

30

σ dinas/cm

σ dinas/cm

Conclusiones:A mayor temperatura menor va a ser la tensión superficial, ya que la fuerza de cohesión entre las moléculas va disminuyendo.A mayor concentración menor va a ser la tensión superficial.Esto va hacer diferente para cada mezcla debido a que cada uno de ellos tiene diferentes fuerzas de cohesión entre ellas.

Recomendaciones:Antes de comenzar a trabajar, revisar el equipo y en especial el capilar, de tal forma que deberá estar muy limpio y seco. El capilar y el tubo con el papel milimetrado o regla deben estar, entre si, paralelos. Conocimiento de sus valores fisicoquímicos de densidad y tensión superficial a la temperatura de trabajo del líquido de referencia.Trabajar varias veces el procedimiento a fin de tener el mismo resultado por triplicado. Las soluciones de tensoactivo producen mucha espuma, es muy importante de evitar cualquier burbuja en el interior de los capilares ya que alteraría el valor de la altura de la columna líquida.

Bibliografía: Raymond Chang (2005). Química. Editorial McGraw-Hill. Colombia. Hall Hispanoamericana. México. Páginas 387 y 388. Julián Fernández Ferrer, Marcos Pujal Carrera (1992). Iniciación a la

física. Editorial Reverte. Página 249. http://didactica.fisica.uson.mx/tablas/tensionsup.htm Fisicoquimica - Gaston Pons Muzzo

Problemas propuestos:

1. A 20 0C la variación de la tensión superficial con la concentración de una solución acuosa 0.05 M de fenol, es de

dγdC

=−165 ergios . cm2. mol−1 .litro

Calcular el valor de “q” de la ecuación de GibbsSolución:DatosT=293 0KC=0.05MdγdC

=−165 ergios . cm2. mol−1 .litro

R=8.314 x10−7 ergiosmol−k

q=−CRT

xdγdC

q= −0.05

8.314 x107 x 293x (−1.65)

q=3.38 x10−10moles /cm2

2. A 25 0C y 1 atm haga el cálculo del ascenso del agua destilada en el interior de un tubo capilar cuyo diámetro es de 0.200 mm. Según tabla la tensión superficial dela gua a 25 0C es de 71.97 dinas/ cm y su densidad es de 0.997 g/ cm3

Solución:

h= 2 γrδg

h=2 x 7197 ( g . cm. s2 ) . cm−1

0.0100 cmx 0.997 g . cm−3 x 980.7 ( g . cm. s2 ) g−1

h=14.7 cm

3. Calcule la tensión superficial del etanol absoluto de densidad 0.789 g/cm3. Si este líquido se elevo a una altura de 5.38 cm en un tubo capilar de 0.214 mm de diámetro interno, a la temperatura de 20 C.Solución:Por la ecuaciónγ=1 /2 rhδg

γ=0.5 x 0.00107 cmx 5.38 cmx 0.7893 g .cm3 x 980.7 dinas

g

γ=22.7dinas

cm

4. Disponemos de dos tubos capilares, uno con la mitad de radio que el otro. El primero se introduce en una cubeta que contiene un líquido que lo moja. El segundo

se introduce en otra cubeta que contiene otro líquido que también lo moja y que tiene doble densidad y tensión superficial que el primero. Suponiendo que el ángulo de contacto sea el mismo en ambos casos, ¿cuál líquido alcanzará mayor altura en su tubo?Solución:

Relacionamos:

h=2 γcosθρgr

Para un h1 y un h2:

h1

h2

=

2 γcosθρg 2 r

2(2 γ )cosθ2 ρgr

=12

∴ h2 alcanza la mayor altura, ósea el doble de altura de h1.